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銅芯電力電纜:輸電鋼芯鋁絞線微風振動疲勞損傷機理

2018/06/19 17:42:44??????點擊:
輸電鋼芯鋁絞線在野外風的激勵下極易發生微風振動,嚴重威脅到線路的安全運行。目前,架空在野外的輸電鋼芯鋁絞線多以鋼芯鋁絞線為主,其內外層分別由多股鋼鋁絞線繞制而成。當線路發生微風振動時,一方面鋼芯鋁絞線上下振動使得鋼芯鋁絞線股與股之間相互擠壓發生滑移及變形,造成股與股之間接觸部位發生微動磨損,從而使線股產生大量裂紋; 另一方面鋼芯鋁絞線由于振動彎曲產生塑性變形,促進裂紋萌生及擴展并加速鋼芯鋁絞線疲勞。這2種破壞長期作用于鋼芯鋁絞線將造成鋼芯鋁絞線斷股,嚴重降低鋼芯鋁絞線的使用壽命。


當前,國際上研究架空鋼芯鋁絞線微風振動的方法主要有動力學法、能量平衡法以及有限元方法。動力學法和能量平衡法適用于從宏觀角度研究鋼芯鋁絞線在振動下的整體受力情況,利用有限元方法則可以分析鋼芯鋁絞線的局部受力,如線股間的接觸受力。國際上對線夾出口處的鋼芯鋁絞線疲勞計算已有相關理論支持,線股磨損則缺乏有效理論來評估,利用有限元軟件可以有效地對鋼芯鋁絞線接觸磨損進行分析并對一些難以直接測量的接觸量進行計算。實驗表明,微風振動造成鋼芯鋁絞線斷股往往發生在線夾出口處,文獻建立了線夾–鋼芯鋁絞線體系有限元模型,將鋼芯鋁絞線等效為單根圓柱形鋼芯鋁絞線,分析了在不同拉力載荷及懸垂角下,鋼芯鋁絞線與懸垂線夾間接觸應力的分布情況,但該方法僅限于在靜態條件而未研究振動下的接觸狀況。文獻構建了0.5m長度的鋼芯鋁絞線模型,分析了鋼芯鋁絞線在微風振動下的線股接觸狀態,但并未對_容易出現斷股的線夾出口處鋼芯鋁絞線進行分析。


現有鋼芯鋁絞線疲勞理論主要以鋼芯鋁絞線 89 mm 處振幅與線夾出口處鋼芯鋁絞線彎曲應力之間的關系為研究目標,本文通過 ABAQUS 有限元軟件對線夾出口 89mm 長度的鋼芯鋁絞線進行建模仿真,分析鋼芯鋁絞線中鋁線股及鋼芯在微風振動時的受力磨損程度。同時,利用現有線夾出口應力計算公式對所建立模型的動彎應力與拉力載荷、振幅的關系做進一步研究,并結合仿真結果對鋼芯鋁絞線斷股機理展開分析。


a) 線夾出口處鋼芯鋁絞線塑性疲勞與鋼芯鋁絞線振幅關系密切,而鋼芯鋁絞線兩端的拉力載荷對鋼芯鋁絞線塑性疲勞影響并不明顯,當振幅大于 1 mm 后,鋼芯鋁絞線迅速進入塑性變形階段萌生出大量裂紋并不斷擴展加深,鋼芯鋁絞線疲勞壽命大幅下降。


b) 線夾出口段鋼芯鋁絞線鄰層鋁線股的磨損情況與鋼芯鋁絞線受到的拉力載荷及 89 mm 處振幅密切相關,當振幅低于 0. 1 mm 時鋼芯鋁絞線鄰層鋁線股在接觸點處發生粘著磨損,在接觸表面并沒有微動位移產生,只在接觸壓力作用下產生局部微裂紋。當振幅大于0. 1 mm 小于 1 mm 時接觸點發生較小的微動位移,接觸位置處發生滑動磨損,在拉力和微動位移的共同作用下裂紋不斷產生并擴展延伸,此時將對鋼芯鋁絞線安全運行產生影響。當振幅大于 1 mm 時,微動位移和接觸壓力都快速增加,導致裂紋急劇擴展加深,對鋼芯鋁絞線的正常工作將產生嚴重危害。


c) 對鋼芯鋁絞線內層鋼芯的接觸壓力及微動位移分析顯示,內層鋼芯_接觸壓力隨鋼芯鋁絞線兩端拉力載荷增大而增大,一定拉力載荷下,鋼芯接觸處的_接觸壓力隨鋼芯鋁絞線振幅變化微小,鋼芯接觸點處的微動位移隨振幅增大而增大。同時發現鋼芯間的微動位移遠比鋁線股間的微動位移小,僅達到微米級別。


d) 結合數值計算和仿真結果可以發現,當振幅達到 1 mm 時線夾出口附近鄰層鋁線股接觸磨損急劇增強,裂紋產生及擴展速率加快,加之鋼芯鋁絞線進入塑性變形階段加劇裂紋擴展匯合,長時間工作在振幅大于 1 mm 的環境中將使鋼芯鋁絞線壽命嚴重降低,危及線路的安全運行。